一种应用液压系统的新型波浪发电实验模型设计.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8 卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 1 3 一 种应用液压系统的新型波浪发电实验模型设计 刘保林，李建 ，许玉玉，彭燕，李然，赵凌志，沙次文 中国科学院电工研究所 ，北京 1 0 0 1 9 0 摘要利用海洋波浪能为人类提供电力是当前可再生能源领域研究的热点之一。根据液态金属磁流体理论设计一套液 态金属磁流体波浪能直接发电实验装置，并对加工安装好的装置进行气密性试验。结果表明系统密封性好，能承受 0 ． 7 0 9 M P a 压 力。 关键词液态金属磁流体；液压系统；设计；气密性试验 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 00 3 82 The M o d e l De s i g n o f a Ne w W a v e Ene r g y Po we r Ge n e r a t i o n wi t h Hy dr a ul i c Sy s t e m UU B a o l i n，L I J i a n，XU Yu y u，P E NG Ya n，L I Ra n，Z HAO L i n g z h i 。S HA C i w e n I n s t i t u t e o f E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e u s e o f o c e a n wa v e e n e r g y t o p r o v i d e e l e c t r i c i t y f o r h u ma n b e i n g s i s t h e c u r r e n t r e s e a r c h h o t s po t i n t h e fi e l d o f r e n e w a b l e e n e r gy． B a s e d o n t h e t h e o r y o f l i q u i d me t a l ma g n e t o h y d I l0 d y n a mi c，a s e t o f l i q u i d me t a l ma g n e t o h y d r o d y n a mi c wa v e e n e r gy p o w e r g e n e r a t i o n e x p e r i me n t a l d e v i c e s w a s d e s i g n e d，a n d g a s t i g h t t e s t wa s c a r r i e d o u t for t h e i n s t a l l e d d e v i c e ． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o w t h a t g a s t i g h t n e s s p r o p e r t y o f t h e d e v i c e i s g o o d a n d t h e p r e s s u r e i t c a n s u p p o rt i s 0 ． 7 0 9 MP a ． Ke y wo r d s L i q u i d me t a l ma g n e t o h y d r o d y n a mi c ；Hy d r a u l i c s y s t e m；De s i g n；Ga s t i g h t t e s t 浩瀚的海洋 是 巨大 的能 源库 ，它 蕴藏 的能 量可 以说是取 之不尽 的可再 生清洁能源 ，然而在 自然情 况 下却难以利用。常规波浪能发电技术是通过波浪能吸 收装置 ，将波浪能首先转换为机械能，再转换为电 能u 。液态金属磁流体波浪能发电系统是采用高效的 液态金属磁流体发电技术 ，将波浪能的起伏运动转换 为液态金属 的往 复运动 ，利用 L MM H D L i q u i d Me t a l Ma g n e t o h y d r o d y n a m i c 的原理 ，通过功率转换系统， 将波浪能直接转换成可 以利用 的电能 。液压执行机 构体积小、重量轻，并且可以方便布置 ，可以提供 大的压力。根据实验模型的情况，作者设计了一种应 用液压系统的波浪能发 电的模型 ，并对加工安装后 的 装置进行 了气密性试验研究 。 1 液态金属波浪能发 电系统基本原理 固定在海底的液态金属磁流体波浪能发电系统部 件连接 示意图如图 1 所示 。 液态金属磁流体波浪能发电系统工作基本原理是 当波浪由波谷往波峰运动时，浮子受波浪力作用往上 运动 ，带动活塞杆往上运 动。油缸 中的液压油通 过连 接管进入上部油桶，油桶内装有液态金属的波纹管受 到挤压，液态金属流过安装在磁体中的发电通道进入 下部油桶内的波纹管，波纹管的膨胀挤压下部油桶内 的液压 油进入 油缸。如 此 完成一个 单 向过程 ，波 浪 由波峰到波谷过程 时 ，以 上过程反过来进行 。完成 以上两个 单向过程称为一 个 发电周期 ，液 态金属 由 上 往下通 过磁体 和 由下往 上通过磁体 时 ，在发 电通 道 内均 能产生 电能。 由于能够直接将波浪 能转换为 电能 ，而且发 电 机尺寸较小 ，使得该 技术 有很好 的发展前景 。 图 1 L MMHD波浪能发 电系统部件组成图 2 应用液压的波浪发电系统实验模型设计 对液态金属磁流体波浪能发电的研究基本分 3大 类 理论分析方法 、数值模 拟和试 验研究 。试验研究 不仅能为科学研究提供真实可靠的物理线索，更能为 科学理论验证提供最为直观可信的依据；同时，试验 研究又受到设备及耗时 、费用 、方案 比选等的影响和 限制 。总所周知，海洋试验和施工作业代价昂贵， 为 了减少实海况试验失败的发生概率和及时地在实海 况试验前发现设计工作中存在的重大缺陷，在实验室 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 3 O 作者简介刘保林 1 9 8 2 一 ，男，硕士，目前主要从事可替代液体燃料和波浪能发电技术的研究。通讯作者 彭燕，电 话 0 1 0 8 2 5 4 7 046 ，Em a i l p e n g y a n m a i l ． i e e ． a c ． c n 。 第 1 0期 刘保林 等一种应用液压系统的新型波浪发电实验模型设计 3 9 内对模型的设计 、计算 、优化 、模拟等研究就显得很 重要。为此设计了实验室的波浪能磁流体发电模型， 并对 加工安 装的模 型进行 了气密性试验 ，这些为研究 系统的发电性能提供了重要依据。 实验室模 型如 图 2所示 ，考虑 到在 实验 室情况下 浮子俘获波浪不容易实现 ，创造性地提 出了使用液压 系统替代浮子捕获波浪能 。为了实现往 复运动 ，在油 缸上安装了限位换向开关。活塞的运行速度和磁流体 发电机的电流、电压等数据通过数据传输系统进入计 算机数据采集系统。系统安装压力测试仪表 ，对系统 进行压力监控。磁流体发电机和两个油缸采用软管连 接 ，使系统有 一定 的柔性 。两个 油 缸 之 间加 装 连接 管，实现系统的全封闭运行。 为了模拟波浪 的运动特性 ，设计 的液压装 置活塞 速度在 0 ． 0 51 m ／ s 之 间 ，行 程在 00 ． 8 n l 之 间调 节运行。实验中模拟波高为0 ． 4 m，速度为 0 ． 2～ 0 ． 5 m ／ s 的波浪情况。 图 2 实验室模 型示 意图 综上所述 ，系统 的 连 接框 图简 化 如 图 3所 示 液压站通过活塞为模型提供浮子捕获波浪动力，液态 金属在液缸 A、B，软管 A 、B，磁流体发电机之间往 复运动 。 注彝 I 连 接管 I磁 竺 发皇 垫 匝 j J 液 缸 A ’ { 软 管 A卜． 一一 图 3 实验室模型的部件连接框图 实验 室模 型 的数 据 采 集 系 统流 程 图如 图 4所 示 ，液 缸 B 的活塞运行 速度、磁流体 发电 机产生的电流 、电压等信 号都 由计算机数据采集系统采集处 理 。 3 实验模 型气 密性试验 图4 数据采集系 统示 意图 根据设计 的实验室模 型，加工制 作 了相应 的 零部件。由于实验室模 型需要使用液态 金属 ，液 态 金属 的 泄 漏 对 系统 有 害 ，并 且 污 染 环 境 ，所 以 对模型的气密性要求很 高。对 发电通道和 系统 都 进行 了严格 的气密性试验 。 发 电通道 尺寸较 小 ，选择浸 泡法进 行气 密性 试验 ，即将 通 道浸 没 在水 中 。图 5为 试 验 方 案 图。 针对 系 统 装 置 ，采 用 了肥 皂 泡 检 漏 法 ， 即在 各 个 部件连接处 、法兰 、阀 门等地方涂 抹肥 皂水 ，如 果某 处 有气 泡 冒出 ，则 需 进 一步 确认 。 一 空 一 气 泵 图 5 发电通道的气密性试验图 用气 泵将 发 电 通 道 加 压 到 0 ． 7 0 9 MP a ，浸 入 水 中 ，放 置 7 2 h ，确 认发 电通道 不 泄漏 。 4 结束语 阐述了液态金属磁流体发电系统的发电原理 ，在 此基础上提出了一种应用液压系统替代浮子建立波浪 能发 电实验室模型 的新方 法 。并 对其发电通道和安装 的系统进行 了气密 性试 验 ，结果 表 明系统 密封 性好 ， 能承受 0 ． 7 0 9 MP a 压力。作者的工作为进一步研究液 态金 属磁流体发 电积 累了经验 。 参考文献 【 1 】 李峰， 叶家玮， 勾艳芬． 波浪发电系统研究[ J ] ． 广东造 船 ， 2 0 0 6 4 1 51 8 ． 【 2 】 林佐伟． 液态金属磁流体波浪能发 电机系统 的研究． [ D] ． 北京 中国科学院研究生院， 2 0 0 8 2 7 ． 【 3 】 盛伟松 ， 游亚戈 ， 马玉久． 一种新型海上液压发电装置实 验模型的设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 1 1 1 3 71 3 8 ． 【 4 】 刘臻． 岸式振荡水柱波浪能发电装置的试验及数值模拟 研究[ D] ． 青岛 中国海洋大学 ， 2 0 0 8 5 5 5 6 ． 上接 第 3 7页 【 6 】T A K A K U K ， H I R A I D E H ， O B A K ． A p p l i c a t i o n o f t h e “ A S R S e r i e s ”A c S e r v o M o t o r D r i v e n H y d r a u l i c P u m p t o I n j e c t i o n M o l d i n g Ma c h i n e s [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h J F P S I n t e r - n a t i o n a l S y mp o s i u m o n F l u i d P o we r ．T O YAMA， 2 0 0 8 ． 9 1 271 3 0． 【 7 】 刘晓红． 液压泵阀空蚀特性的研究[ D ] ． 成都 西南交通 大学 ， 2 0 0 7 ． 1 2 2 62 7 ． 【 8 】S h i g e r u O s h i m a ， L e i n o T i m o ， L i n j a m a M a t t i ． E x p e r i m e n t a l S t u d y o n C a v i t a t i o n i n Wa t e r H y d r a u l i c P o p p e t V a l v e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n F l u i d P o w e r S y s t e m S o c i e t y， 2 0 0 2， 3 3 2 2 93 5 ． 【 9 】B a r m a n P r i y a t o s h ． C o m p u t a t i o n al F l u i d D y n a m i c s C F D An a l y s i s t o P r e d i c t a n d C o n t r o l t h e C a p i t a t i o n E r o s i o n i n a H y d r a u l i c C o n t rol V a l v e[ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f S A E 2 0 0 2 W o r l d C o n g r e s s ． De t r o i t ， Mi c h i g a n， US A ， 2 0 0 2 15 ． 【 1 0 】王凯明， 韩志刚． 齿轮油泵的噪声控制[ J ] ． 科技信息， 2 0 0 8 2 6 9 7 ． 【 l 1 】蒋丹． 存在气泡和气穴时无阀微泵动态特性研究[ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 ． 1 ．